Регрессионный анализ параметров сошника для разноглубинного высева семян и удобрений

Технология возделывания сельскохозяйственных культур включает набор операций, производимых с сельскохозяйственными культурами и почвой в агротехнические сроки комплексом машин для создания определенных условий произрастания растений и получения максимально возможного урожая.

Величина этого урожая во многом зависит от исходных условий на конкретном участке поля, начального стояния посевного материала и развития возделываемой культуры в процессе вегетации. Урожайность на 50% зависит от плотности стеблестоя, на 25% – от числа зерен в колосе и на 25% – от массы 1000 зерен [1].

Таким образом, наибольший урожай получают при обеспечении оптимальной плотности стеблестоя для конкретной культуры в конкретных почвенно-экологических

условиях, т.е. растения размещают по площади так, чтобы каждое из них было обеспечено в достатке влагой, солнечным светом и питательными веществами, и в то же время не оставалось бы неиспользованной площади.

Вопросами достижения оптимальных площади питания растений и величины ширины междурядий при посеве зерновых культур занимались многие ученые [2–4]. Установлено, что равномерность распределения семян по площади питания во многом зависит от способа посева и конструктивных особенностей сошников [5-7].

Таким образом, исследования, направленные на разработку технологических процессов и создание технических средств, обеспечивающих качественный посев, актуальны.

Объект и методы исследований

Цель работы - повышение качества посева зерновых культур за счет применения сошника для разноглубинного высева семян и удобрений.

Объект исследования - процесс обеспечения равномерного посева семян.

Предмет исследования - закономерности процесса равномерного распределения сошником.

В условиях почвозащитной системы земледелия повышение урожайности возделываемых культур возможно за счет обеспечения показателей:

• -    создания условий жизнедеятельности растений, т.е. заделки семян во влажный слой почвы на одинаковую глубину;

• -    оптимальной плотности продуктивного стеблестоя, т.е. равномерного распределения семян по площади питания [8];

• -    создания рационального режима питания растений, т.е. внесения минеральных удобрений ниже уровня заделки семян основной культуры (рис. 1).

Таким образом, основой почвозащитного земледелия является агротехническая система, предполагающая проведение технологических операций для улучшения агрофизических свойств почвы. Для выполнения предусмотренных конкретной технологией операций формируется система машин. Оценивают ее как фактор, обеспечивающий требуемую технологию, направленную на получение максимально возможного урожая с минимальными затратами труда и материальных средств [9].

Отчетливо вырисовывается связь между урожаем и применяемой технологией возделывания культур, с одной стороны, и системой машин с их агротехническими показателями, с другой.

Представим данную связь в виде системы «Почва - технология - машины - урожайность» (рис. 2).

Составные элементы данной системы:

• 1.    Основа для получения урожая - почва с ее физико-механическими свойствами.

• 2.    Технология возделывания культур с учетом агротехнических и экономических требований.

• 3.    Система машин для выполнения данной технологии с определенными агротехническими показателями.

• 4.    Урожай и затраты на его производство.

В представленной системе (рис. 2) входными параметрами являются физикомеханические свойства почвы и агрофон в целом. Выходными - максимально возможный урожай с минимально возможными затратами труда. Управляющей функцией системы, обеспечивающей получение оптимальных выходных параметров, является удовлетворяющая агротехническим и технико-экономическим требованиям технология, взаимосвязанная с применяемой системой машин.

Рис. 1 . Схема почвозащитной системы земледелия

Рис. 2 . Система «Почва - технология - машины - урожайность»

Рис. 3 . Требования, предъявляемые к сельскохозяйственным машинам

Если агротехнические и технико-экономические требования не обеспечиваются применяемыми машинами, необходима их модернизация, а в некоторых случаях разработка принципиально новых. Совершенствование и создание новых машин рассматривают в совокупности с требуемой технологией [10]. Предъявляемые к машинам требования можно разделить на три категории: технологические, технико-эксплуатационные и экономические. Рассмотрим посевные машины как неотъемлемую часть любой технологии возделывания сельскохозяйственных культур

Большинство технических средств сегодня обеспечивают рядовой посев в некоторых случаях с образованием загущенных рядков, с площадью питания растений в виде прямоугольника с соотношением сторон 1 : 10, в результате питательных веществ для растений недостаточно. Минеральные удобрения вносят при посеве в один горизонт с семенами [11].

К посевным машинам предъявляют требования по обеспечению технологических параметров: равномерной глубины заделки семян, оптимального размещения семян по площади, внесения минеральных удобрений ниже уровня заделки семян возделываемой культуры. В то же время должны выполняться общие для любых видов техники технико-эксплуатационные и экономические требования (рис. 3).

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод: модернизация существующих и создание новых рабочих органов посевных машин, обеспечивающих рациональное размещение посевного материала, – актуальная задача.

Экспериментальные исследования

Для обеспечения показателей системы разработан сошник для разноглубинного высева семян и удобрений (рис. 4). Опытный образец изготовлен в центре коллективного пользования «Аддитивные технологии и обработка материалов» Омского ГАУ.

Рис. 4 . Сошник для разноглубинного высева семян и удобрений: 1 – носок; 2 – стойка; 3 – направитель удобрений; 4 – направитель семян; 5 – кронштейн;

6 – вырез с углом схождения γ; 7 – вырез нижней кромки

При заглублении сошника носки 1 (рис. 4) подрезают почву с двух сторон, образуя бороздки, в которые через направители удобрений 3 и пустотелые носки высыпаются минеральные удобрения. Поскольку конструктивно носки установлены под углом атаки α, почва сдвигается к центру сошника, а из-за установки носков под углом крена β выдавливается вверх. Разрыхленная почва перемещается по боковым внутренним плоскостям носков, далее переходит на стойки и частично осыпается через вырез с углом τ. Осыпавшаяся почва заделывает минеральные удобрения, при этом стойки нижними кромками уплотняют осыпавшуюся почву, формируя семенное ложе, на которое через направители семян 4 и пустотелые стойки высыпаются семена возделываемой культуры. Почва при выходе из межстоечной зоны сошника осыпается и заделывает засеянные бороздки. Предлагаемый сошник обеспечивает равномерную глубину заделки семян и отвечает агротехническим требованиям. Минеральные удобрения заделывают ниже горизонта основной культуры на 30–40 мм.

Как отмечалось ранее, одно из основных технологических требований – оптимальное размещение семян по площади, именно этот показатель зависит от конструктивных параметров сошника.

Для выявления рациональных параметров сошника определим показатели равномерности распределения семян.

Зависимости распределения семян по длине и ширине засеваемой бороздки от конструктивных параметров сошника определены методом регрессионного анализа. В ходе предыдущих исследований установлено, что в сошниках данного типа три параметра влияют на равномерность распределения семян: угол атаки α , угол крена β и длина выреза нижней кромки стойки L. Таким образом, в качестве модели выбран симметричный ортогональный композиционный план второго порядка [12] с тремя факторами: углом атаки α , углом крена β и длиной выреза нижней кромки стойки L.

Распределение факторов по уровням их варьирования приведено в табл. 1.

Таблица 1

Уровни варьирования факторов

Фактор	Угол атаки α , град.	Угол крена β , град.	Длина выреза L , мм
Кодированное обозначение	X 1	X 2	X 3
Основной уровень (Х io )	15	15	50
Интервал варьирования (ΔХ i )	10	10	25
Верхний уровень ( х i = +1)	25	25	75
Нижний уровень ( х i = –1)	5	5	25
Звездная точка +α ( x i = 2)	2,85	2,85	80,375
Звездная точка –α ( x i = – 2)	27,15	27,15	19,625

В ходе реализации планируемого эксперимента получены уравнения регрессии, описывающие процесс изменения равномерности распределения семян по длине и ширине засеваемой борозды, в кодированных и натуральных величинах они имеют вид:

по длине засеваемой борозды:

Y = 0,843549 + 0,005419 · Х 1 + 0,009061 · Х 2 – 0,01405 · Х 3 + 0,004449 · Х 12 –

• –    0,00545 · Х 13 – 0,00545 · Х 23 + 0,00616 · Х 11 – 0,06813 · Х 22 – 0,06345 · Х 33     (1)

Y = 0,403802 + 0,003072 ∙ α + 0,023172 ∙ β + 0,011288 ∙ L – 0,000045 ∙ α ∙ β –

• –    0,000022 ∙ α ∙ L – 0,000022 ∙ β ∙ L – 0,000062 ∙ α² – 0,000684 ∙ β² – 0.000102 ∙ L ² (2)

по ширине засеваемой борозды:

Y = 0,749468 – 0,01619 · Х 1 – 0,00978 · Х 2 – 0,00715 · Х 3 – 0,0033 · Х 12 –

• –    0,02364 · Х 13 – 0,02364 · Х 23 – 0,0026 · Х 11 – 0,06776 · Х 22 – 0,03627 · Х 33     (3)

Y = 0,329738 + 0,005096 ∙ α + 0,023706 ∙ β + 0,008397 ∙ L – 0,000033 ∙ α ∙ β –

• –    0,000095 ∙ α ∙ L – 0,000095 ∙ β ∙ L – 0,000027 ∙ α² – 0,000681 ∙ β² – 0,000058 ∙ L² (4)

На основании уравнений регрессии построены поверхности отклика равномерности распределения семян по длине и ширине засеваемой борозды в зависимости от варьируемых параметров.

a

b

c

a

По длине засеваемой борозды

b

По ширине засеваемой борозды

c

a

Рис. 5. Зависимости равномерности распределения семян от длины выреза и угла крена при угле атаки: a – α = 5 град; b – α = 15 град; c – α = 25 град.

b

По длине засеваемой борозды

c

a

b

По ширине засеваемой борозды

Рис. 6 . Зависимости равномерности распределения семян от длины выреза и угла атаки при угле крена: a – β = 5 град; b – β = 15 град; c – β = 25 град

c

a                                    b                                    c

По длине засеваемой борозды

a

b

По ширине засеваемой борозды

Рис. 7. Зависимости равномерности распределения семян от угла атаки, угла крена при длине выреза: a – L = 25 мм; b – L = 50 мм; c – L = 75 мм

Заключение

Анализируя представленные зависимости, можно сделать выводы: рациональными параметрами сошника, обеспечивающими наилучшее распределение семян по длине засеваемой борозды (85,5%), являются угол атаки α = 25°, угол крена β = 15° и длина выреза нижней кромки стойки L = 50 мм. В то же время рациональные параметры, при которых достигается наилучшее распределение семян по ширине засеваемой ленты (76,3%): угол атаки α = 5°, угол крена β = 15° и длина выреза нижней кромки стойки L = 50 мм.

В качестве рациональных параметров принимаем угол крена β = 15° и длину выреза нижней кромки стойки L = 50 мм.

Для выявления рационального параметра угла атаки по длине и ширине бороздки рассмотрим значения показателей равномерности распределения семян при β = 15° и L = 50 мм. Проанализировав зависимости, получаем значения (табл. 2).

Показатели равномерности распределения семян в зависимости от угла атаки при β = 15°, L = 50 мм

Таблица 2

Угол атаки	Показатель равномерности распределения семян, %
	по длине засеваемой борозды	по ширине засеваемой борозды
α = 5°	84,4	76,3
α = 15°	82,2	74,9
α = 25°	85,5	73,1

Эти данные позволяют сделать вывод: расхождение фактических величин показателя равномерности распределения семян по длине засеваемой борозды при α = 25° и α = 5° составляет 1,1%.

Таким образом, в качестве рациональных принимаем параметры: угол атаки α = 5°; угол крена β = 15°; длину выреза нижней кромки стойки L = 50 мм. При данных значениях показатель равномерности распределения семян составил 84,4% по длине и 76,3% по ширине засеваемой бороздки.

E.V. DEMCHUK, D.A. GOLOVANOV, V.V. MYALO, A.S. BARDOLA

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

Regression analysis of parameters for subsoil planting opener for depth seeding and fertilizers